采用CAN節點器件實現倉庫現場參數的數據采集

1 、引 言

在倉庫的貨物的管理中，需要對溫度、濕度等環境參數進行監控，以保證倉庫的安全。隨著庫區的面積逐漸擴大，需要傳輸能力強和通信距離遠的監控系統來有效地對倉庫貨物進行監管。

CAN（Controller Area Network，控制器局域網）總線技術具有先進的多主網絡結構、通訊距離遠、價位低、可靠性高、系統容量大、安裝方便、維護費用低、性價比高等優點。特別對庫區較大、倉庫分布較分散的大型倉庫的監控非常適用。

2、系統硬件設計

本系統采用分布式監控網絡，主要分為上位機和下位機兩部分，而上位機硬件包括CAN通訊適配器和上位監控管理機組成;下位機則由CAN節點和現場傳感器組和溫度濕度參數控制器組成，如圖1所示。

其工作原理是下位機節點通過一定時間間隔把含有地址、溫度、濕度等數據量的報文向CAN總線發送，總線通過自身仲裁確定先把優先級最高的數據放到總線上，然后自動仲裁依次發送優先級相對較低的報文到CAN總線。由于CAN總線的信息存取利用了廣播式的存取工作方式，報文可以在任何時候由任何節點發送到空閑的總線上，每個CAN總線節點都接收到了總線上出現的報文信息，通過每個節點的報文濾波和地址設置，上位機CAN節點能實現上傳報文的接收。上位機接收到報文信息后通過組態王軟件實現倉庫溫度等參數實時監視和記錄。同時上位機通過倉庫人機界面可隨時發送控制信息到CAN總線上，地址匹配的CAN總線節點能收到信息。通過這種方式即可實現倉庫的溫度等參數的反饋控制。

2.1上位機系統的硬件設計

CAN通訊適配器承擔上位計算機和CAN節點之間的數據轉發任務，實現上位機與下位機的通訊。利用EPP并行口實現PC機與SJA1000的通信，關鍵在于實現SJA1000的讀寫時序，實現的方法有兩種：軟件產生讀寫時序電路和硬件產生讀寫時序電路。該系統用硬件產生讀寫時序電路，通過邏輯門的時間延遲來產生SJA1000握手等信號。設計電路如圖2所示。

2.2下位機系統的硬件設計

下位機包括CAN節點、現場傳感器組和溫度濕度參數控制器。CAN節點主要是完成CAN總線信號和CAN網絡通訊的配置?，F場傳感器組和參數控制器部分主要是和CAN節點完成實時監測倉庫內各個測試點的溫度、濕度情況，還要負責接收上位管理機的命令，根據上位管理機的要求傳輸數據和反饋控制。下位機結構組成如圖3所示。

2.2.1 CAN節點

CAN節點器件主要包括：微處理器AT89S52單片機、CAN控制器SJA1000和CAN總線收發器PCA82C250。

（1）CAN控制器SJA1000

SJA1000的工作模式通過其內部的時鐘分頻寄存器CDR中的CAN模式位來選擇。硬件復位時默認模式是BasicCAN工作模式。SJA1000相對于微控制器相當于是一存儲映象I/O設備，他的地址域由控制段和信息緩沖區段組成，在向下加載初始化期間，控制器可被編程以設定通信參數，CAN總線上的通信可通過此段由微控制器控制。

SJA1000內部寄存器有的是只能寫的，有的是既可讀又可寫的。系統正常工作之前，微控制器要對某些寄存器進行初始化，以保證系統的各部分之間能進行正確的數據交換。CAN控制器的內容都是通過微控制器寫入的，其讀寫時序如圖4所示。

從讀/寫時序圖來看，微控制器對SJA1000進行操作，由于SJA1000內可存儲數據的地址信息?，F場數據采集與控制層負責從現場采集數據以CAN協議的格式發送到總線上，根據需要對現場設備進行實時控制和監視。系統上電后微處理器先對自身和SJA1000進行初始化，以SJA1000傳送到CAN總線上或直接現場顯示、控制;對從CAN總線上來的信息則采用中斷方式，系統每接收到一幀信息，便產生一次中斷，引發微處理機進入中斷，在中斷服務程序中讀取該幀信息并傳送到現場。

（2）CAN收發器PCA82C250

PCA82C250為CAN收發器，是CAN控制器和物理總線間的接口，提供對總線的驅動發送能力，CAN控制器的差動發送能力和CAN控制器的差動接收能力。他有很強的抗瞬間干擾和保護總線的能力，具有3種不同的工作模式即高速、斜率控制和待機?？偩€上的某節點掉電不會影響總線，在40 m內實現高速應用可達1 Mb/s，最多可掛110個節點。管腳8（RS）允許PCA82C250選擇3種不同的工作模式，如表1所示。

通過上面的結構框圖繪制出了如圖5 所示的CAN節點具體的電路。

2.2.2 溫度檢測部分

系統采用由DALLAS半導體公司生產的DS18B20型單線智能溫度傳感器，該傳感器屬于新一代適配微處理器的智能溫度傳感器。DS18B20主要有兩種工作方式：寄生電源工作方式和外接電源工作方式。本系統采用外接電源方式（如圖6）。

2.2.3 濕度檢測部分

濕度檢測采用HS1101型濕度傳感器，HS1101是HUMIREL公司生產的變容式相對濕度傳感器，采用獨特的工藝設計。

HS1101測量濕度采用將HS1101置于555振蕩電路中，將電容值的變化磚換成電壓頻率信號，可以直接被微處理器采集。

設計的電路如圖7所示。

555芯片外接電阻R20，R19與HS1101，構成對HS1101的充電回路。7端通過芯片內部的晶體管對地短路實現對HS1101的放電回路，并將引腳2，6端相連引入到片內比較器，構成一個多諧波振蕩器，其中，R20相對于R19必須非常的小，但決不能低于一個最小值。R18是防止短路的保護電阻。

HS1101作為一個變化的電容器，連接2和6引腳。引腳作為R20的短路引腳。HS1101的等效電容通過R19和R20充電達到上限電壓（近似于0.67 VCC，時間記為T1），這時555的引腳3由高電平變為低電平，然后通過R19開始放電，由于R20被7引腳短路接地，所以只放電到觸發界線（近似于0.33 VCC，時間記為T2），這時555芯片的引腳3變為高電平。通過不同的兩個電阻R19，R20進行傳感器的不停充放電，產生方波輸出?？梢缘贸觯?/p>

由此可以看出，空氣相對濕度與555芯片輸出頻率存在一定線性關系。表2給出了典型頻率濕度關系（參考點：25℃，相對濕度：55%，輸出頻率：6.660 kHz）?？梢酝ㄟ^微處理器采集555芯片的頻率，然后查表即可得出相對濕度值。為了更好提高測量精度，將采用下位機負責采集頻率，將頻率值送入上位機進行分段處理。

2.2.4 溫濕度控制部分

在監控系統中，除了實時檢測溫度濕度等參數外，還需要對這些參數進行控制。在溫度等測量參數超過用戶設定值范圍時，啟動相關控制設備，否則關閉控制設備。系統采用繼電器控制通風，除濕等設備的啟動，具體電路設計如圖8所示，其中J1用于控制通風設備，J2，J3用于控制濕度。

3 、系統軟件設計

監控系統軟件設計分為上位機系統的軟件設計和下位機系統的軟件設計。

上位機系統的軟件包括監控管理部分軟件和CAN適配器軟件?，F場監控管理部分主要利用組態王軟件完成倉庫的現場測量點模擬，對倉庫的現場數據進行采集，并對采集數據進行分析，自動計算倉內的最高、最低和平均溫度值，還可計算出每層的最高、最低和平均溫度值，完成超限實時報警，同時實現對現場設備進行操作控制。例如啟動通風、除濕、噴灑及安全保護裝置，報警、切斷電源等。并自動生成各種報表和圖表，建立和存儲倉庫的倉儲歷史檔案和打印功能。而遠程監控管理部分主要完成倉庫狀態遠程查詢，報表打印和遠程控制等功能。

對于CAN適配器的軟件設計采用Windows環境下的VB語言進行開發，由于Windows的保護，VB無法直接讀寫并行端口，需要另外的程序模塊來實現并行端口的直接讀寫，使用WINIO模塊來解決VB對并口的讀寫。同時，由于WINIO模塊不支持系統中斷，還需要利用VB編寫線程來查詢SJA1000的中斷狀態。

下位機系統的軟件包括CAN節點的軟件和溫濕度檢測控制軟件。軟件設計采用模塊化設計方式。軟件中主要程序有SJA1000的初始化，報文的發送程序，報文的接收程序，CAN總線錯誤處理程序，以及和傳感器配合實現現場參數的采集。

4 、結 語

該設計在倉庫的總體結構設計中，成功引入CAN總線作為通訊網絡，其中下位機利用AT89S52單片機和SJA1000完成CAN節點設計，上位機完成了對CAN通訊適配器的設計，采用上位機高級語言VB和EPP協議實現SJA1000的控制，大大地提高了系統內部的速率和實時性，具有處理速度快，成本較低的優點。

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